基于工程教育专业认证的核反应堆控制课程教学改革——以西安交通大学为例

工程教育专业认证的理念主张注重对学生能力的培养和实际问题的解决,关注产出和持续改进,基于该理念,文章探讨了核反应堆控制课程的教学改革。这个改革以西安交通大学为例,对课程的培养目标和现状进行分析,梳理目前存在的主要问题,开展案例教学和项目讨论相结合的改革实践,强化以学生为中心的理念,注重开展启发式讨论,强调虚拟仿真技术在核反应堆控制课程教学中的作用,在教学实践中践行工程教育专业认证的理念。

西安交通大学核电厂系统与设备课程教学研究与实践

核动力系统与设备是核工程与核技术专业最重要的一门专业核心课程。西安交通大学在核动力系统与设备课程教学方面进行了改革和尝试,不断更新教材内容,将优势科研和学术前沿研究融入教学,采用多媒体及虚拟现实多种教学手段,建设了核电设备模型展室,并与多个核电厂联合成立了学生课外实践基地,通过多管齐下的手段让学生更好地掌握枯燥乏味的核电系统设备知识,教学效果较为显著。相关措施可为其他开设该课程的高校同仁提供参考。

兆瓦级高效紧凑型核动力系统运行特性研究

为研究兆瓦级高效紧凑型核动力系统的运行特性,使用自主开发的热管堆瞬态分析程序TAPIRS(Transient Analysis code for heat Pipe and AMTEC power conversion space Reactor power System)和超临界二氧化碳布雷顿循环的瞬态分析程序SCTRAN/CO_(2)(Super Critical reactors Transient Analysis code/Carbon Dioxide)的耦合程序对其反应性、负荷、冷却水温度和流量等扰动进行了开环动态响应分析,并据此进行了控制系统设计。在此基础上,对线性变负荷、阶梯式变负荷以及甩负荷这三种变负荷运行工况进行了计算分析。结果表明:该核动力系统的转速对扰动的变化较为敏感,需要加以控制;低负荷下旁通会使压缩机流量上升,需对压缩机流量加以控制;系统在控制方案下能以6%FP(Full Power)·min^(−1)的速度实现0%~100%的负荷变动,且可以在任意负荷水平下运行;甩负荷下系统的波动时间变长,但是仍可达到新的稳态进行工作,且各参数处于安全范围内。本研究可为新型核动力系统的概念设计提供参考。

《新能源汽车与无人驾驶革命》课程思政教改实践

新能源汽车与无人驾驶是当代备受关注两个的热点领域,其快速发展过程是我国实现中华民族伟大复兴的一个重要组成部分。本课程密切贴合时代需求,从能源、汽车与无人驾驶等多个方面出发,对各个行业的发展历程及其相互融合过程进行综合梳理,在“宽基础薄专业”的大学教学改革理念下,大幅扩充本课程的教学内容范围,大幅增强思想政治教育功能。通过强化能源与人类文明的发展关系,将能源安全、能源理论、气候变化、粮食安全、大国博弈、科技革命、产业升级等九大社会与科学重大问题有机地统一起来,通过多种教学手段,使学生系统地从人类历史发展及国家战略的宏观层面到技术理论的微观层面均产生崭新的认知,培养具视野宽广、思维创新、信念坚定、能力突出、有坚定共产主义理想的新时代科学工作者。

动力工程多相流国家重点实验室研究进展

1 实验室概况 动力工程多相流国家重点实验室是在西安交通大学多相流与传热研究室的基础上,于1990年2月由国家计委批准开始建设,于1992年12月建成并通过国家验收,从1993年起正式对外开放.

面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环高级[火用]分析

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力学、经济与紧凑性3个角度对回热式循环余热回收系统进行了多目标优化,进行了热经济与常规[火用]分析;继而,将每个部件的[火用]损细分为内源可避免、内源不可避免、外源可避免与外源不可避免4部分,进行了高级[火用]分析;最后,比较了常规[火用]与高级[火用]分析结果,揭示了常规[火用]分析方法的局限性。结果表明,经优化后系统净发电量、平准化度电成本与单位功率面积分别为6.24 MW、4.48美分/(kW·h)与0.19 m^(2)/kW;回热器总[火用]损率最高,约为36.7%。由于关键设备技术限制,系统极限[火用]效率相比理想工况低约7%,系统总[火用]损主要由部件自身不可逆性产生,其中有42.9%可通过部件改进而减少。在不同燃机工况下,透平具有最高的内源可避免[火用]损率。

超临界循环流化床锅炉水冷壁吸热偏差计算及深度调峰水动力特性

超临界循环流化床锅炉在深度调峰过程中受热负荷及质量流速变化的影响容易出现管壁拉裂、超温爆管等安全问题,故有必要对锅炉深度调峰负荷时热偏差系数、水动力特性进行计算研究。该文根据超临界循环流化床锅炉水冷壁及水冷屏结构,建立水动力计算数学模型并运用实炉测量数据计算实炉热偏差系数,对310及110MW负荷实炉热偏差系数进行计算,并采用110MW负荷实炉热偏差系数对120及70MW(深度调峰负荷)的水动力进行计算,将120MW负荷时的出口汽温计算结果与实炉测量数据进行对比验证,对70MW深度调峰负荷水动力计算结果进行分析。结果表明:循环流化床锅炉高低负荷时热偏差系数分布规律不同,在相近负荷时炉膛热偏差系数呈现出一致性,并且锅炉在70MW深度调峰负荷时,锅炉能安全稳定运行。深度调峰负荷时循环流化床锅炉吸热偏差系数及水动力特性的计算研究,为现有火电机组进行灵活性深度调峰优化改造提供一定的理论基础。

液态金属冷却快堆子通道分析软件SACOS-LMR研发与工程应用

子通道分析方法是反应堆堆芯设计和热工水力分析的重要手段之一,对于我国提出的压水堆-快堆-聚变堆三步走核能发展战略,开发适用于液态金属冷却快堆热工安全分析的子通道分析程序具有重要意义。本文基于西安交通大学热工水力研究室自主开发的压水堆子通道程序SACOS,通过添加液态金属快堆特有的模型,如绕丝模型、盒间流模型、液态金属对流换热模型等,扩展至适用于液态金属快堆的子通道分析程序SACOS-LMR,该程序具备对液态金属快堆组件开展稳态和瞬态热工水力分析的功能。结合卡尔斯鲁厄开展的37棒钠冷瞬态实验,完成了SACOS-LMR程序的瞬态功能验证。基于验证后的SACOS-LMR程序,对欧洲铅冷快堆(ALFRED)堆芯开展了稳态工况和瞬态事故工况下的热工安全特性分析,计算结果合理,且与同类程序保持一致,表明SACOS-LMR程序可用于液态金属快堆的堆芯设计和热工水力分析研究。

聚甲氧基二甲醚-2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE_(2))的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE_(2)详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE_(2)在温度范围为550~900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE_(2)中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE_(2)反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE_(2)自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE_(2)第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化,在720~820 K的中温范围内呈“平台”状,几乎不随温度变化。PODE_(2)低温反应活性来自于3个替代性通道,由氧加成反应开启的典型低温链分支反应序列作用被抑制。

O_(2)/CO_(2)条件下半焦-生物质的混燃特性及动力学分析

半焦与生物质在O_(2)/CO_(2)条件下混燃是实现碳基燃料清洁高效利用和碳减排的重要途径,准确掌握其混燃特性及动力学特性尤为关键。通过热重分析和正交实验研究了半焦与三种生物质(稻壳、松木、核桃壳)在O_(2)/N_(2)和N_(2)/CO_(2)气氛下混燃的燃烧特性、交互作用及反应动力学。结果表明:O_(2)/N_(2)气氛下掺混生物质可改善半焦的着火和燃尽特性,O_(2)/CO_(2)气氛下掺混生物质可改善半焦的着火特性,但会延迟半焦的燃尽。半焦和生物质在主燃区存在明显的交互作用,该作用显著提高了混燃反应性和燃烧强度,降低了着火活化能。生物质掺混比增大,燃烧特性指数提高,混合燃料低温区的活化能E_(1)和高温区的活化能E_(2)均逐渐降低;掺混生物质为松木时,混燃特性最好,掺混生物质为稻壳时,混燃特性次之,掺混生物质为核桃壳时,混燃特性再次之。与O_(2)/N_(2)气氛相比,O_(2)/CO_(2)气氛下的综合燃烧特性指数降低,E_(1)和E_(2)都提高,提高O_(2)/CO_(2)气氛中的O_(2)体积分数可小幅改善燃烧特性。燃烧气氛对燃烧特性和活化能的影响最显著,生物质掺混比的影响次之,掺混生物质的种类的影响最小,但若只考虑O_(2)/CO_(2)气氛的O_(2)体积分数变化,燃烧气氛对混燃特性的影响很小。

热能与动力工程专业的虚拟仿真实验教学实践

热能与动力工程专业主要为火力发电机组的设计、运行、管理、维护等培养专业技术人才。考虑到火力发电系统的高温高压特性,而实体实验平台建设成本高、安全保障难度大,中心采用虚实结合的方式进行实验教学,针对当前火力发电行业对高端技术人员培养的现实需求,建立了火电厂三维虚拟现实仿真、开放式GSE仿真分析和STAR-90仿真等实验教学平台,设计了基础理论学习、专业技能训练和前沿技术研究三个层次的虚拟仿真实验教学项目,内容由浅入深、由点及面,为更好地实现新工科形势下该专业人才培养奠定了坚实基础。

甲醇高压热解和氧化的实验及动力学研究

利用流动反应器对甲醇的高压氧化及热解特性进行实验研究,在此基础上对已发表的甲醇化学反应动力学模型进行验证,并对宽裂解度范围的甲醇裂解气氧化特性进行模拟。研究结果表明:高压可以有效促进燃料的氧化;掺混甲醇裂解气可以有效降低甲醛的排放量。甲醇及其裂解气产生的活性自由基加快了燃料的化学反应速率,通过HO2自由基间接控制了下游链分支反应,生成大量OH自由基,改变了甲醛消耗路径中各反应的敏感性系数。

袋型阻尼密封动力学特性双控制体Bulk Flow模型

为快速准确预测袋型阻尼密封泄漏特性和动力学特性,针对传统单控制体Bulk Flow模型预测精度低、无法预测交叉动力系数的问题,提出了袋型阻尼密封双控制体Bulk Flow模型和动力学特性数值预测方法,并开发了计算程序。首先,依据边界层理论,将袋型密封腔室划分为两个控制体,推导了控制体的连续性、周向动量和能量方程,引入Swamee-Jain和Takahashi方程,计算流体-壁面间和流体-流体间的周向黏性摩擦力;其次,采用牛顿-拉夫森算法和摄动分析法分别求解0阶和1阶控制方程,获得各刚度、阻尼动力特性系数;然后,通过与袋型阻尼密封泄漏量和动力特性系数的实验值、单控制体Bulk Flow模型和非定常计算流体动力学(CFD)数值结果进行比较,验证了模型和方法的准确性和可靠性;最后,研究了转子转速(10 000、15 000、20 000 r/min)和预旋比(0.067、0.724、0.997)对袋型阻尼密封动力学特性的影响。结果表明:所发展的模型和方法具有计算速度快、预测精度高(泄漏量预测误差小于6%,动力特性系数预测误差小于38%)的优点;转子转速和进口预旋的增大均会导致袋型阻尼密封有效阻尼显著减小,穿越频率显著增大,易诱发轴系失稳。

孔的排布方式对孔型阻尼密封泄漏特性和动力学性能影响研究

为揭示孔的排布方式对孔型阻尼密封性能的影响规律以及探究最佳排布方式,基于多频椭圆轨迹涡动模型非定常计算流体力学摄动数值方法,研究了不同孔径、孔排布方式下孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能。采用孔型阻尼密封试件试验数据,验证了数值方法的可靠性和准确性,通过计算分析了不同孔径(3.175、12.268 mm)、孔排布方式(轴向顺排、周向顺排)、进口预旋(0、0.5)对孔型阻尼密封的泄漏量、动力特性系数和腔室动态压力的影响规律。数值结果表明:大孔径孔型阻尼密封动力学性能较优,具有较高的有效阻尼和较低的穿越频率,但封严性能较差,对应的泄漏量增加了6%~10%;小孔径孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能对孔的排布方式不敏感,泄漏量偏差小于0.5%,动力特性系数偏差小于7%;对于大孔径孔型阻尼密封,采用周向顺排的方式可获得更好的封严性能以及更优的动力学性能,泄漏量可降低4%,有效阻尼的穿越频率也得到显著减小。该研究可为孔型阻尼密封的设计提供参考。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

新型兆瓦级紧凑核动力装置的非能动余热排出系统设计分析

热管堆具有结构简单、布局紧凑、固有安全性高的特点,是无人潜航器的理想堆型之一。针对采用热管堆的新型兆瓦级高效紧凑核动力装置,设计了一种利用自然循环冷却热管绝热段的非能动余热排出系统。使用计算流体力学方法对不同几何参数的余排系统的排热能力进行模拟分析,使其保守满足最大余排功率的需求。结果表明:热管管束周围设计围板导流有利于降低流体最高温度,围板进出口宽度几乎不影响换热能力,而延长围板下部不利于自然循环;3.5兆瓦热管堆的应急冷却舱轴向长度为160 mm时可以保守满足最大余排功率,并在5~25℃的环境温度下均可正常工作。

声致液滴失稳动力学研究

声场中液滴稳定性理论的完善对超声雾化技术和超声悬浮技术的发展具有重要价值.本文通过实验、理论、数值模拟相结合的方式,研究了驻波声场(19.8 kHz)中的液滴失稳现象及其动力学机制.结果表明,随着声场强度的增大,液滴失稳模式由圆盘失稳转变为边缘锐化失稳,更重要的是,液滴在失稳过程中其赤道面扩张加速度存在自发增大的现象.经分析,本文揭示了液滴变形过程中其赤道处声辐射负压与长径比之间的正反馈机制,前者与后者的二次方成正比,阐明了液滴自加速失稳的形成原因.之后,建立了包含表面张力和考虑正反馈机制的声辐射压力的液滴界面平衡方程,最终得到了声致液滴失稳的无量纲判据,即当声韦伯数Wea≤1时,液滴界面保持平衡;Wea>1时,赤道声吸力大于表面张力,液滴发生失稳,该理论判据与实验结果吻合良好.

光电分解水制氢气泡动力学特性及其传质机理研究

光电极表面长时间连续生长的气泡是影响光电分解水制氢效率的重要因素。利用光电化学与气泡动力学多参数同步原位测量分析方法,系统研究了激光功率和电解池内压力对气泡动力学特性和气液界面传质过程的影响。结果表明,不同激光功率和压力下的气泡在脱离之前遵循相似的生长规律。气体质量产率在80 kPa取得极值,表明适当降低压力有利于气体的产生。此外,随着压力降低气泡脱离直径增大,周期缩短。对比考虑不同Marangoni力的力平衡模型,发现同时考虑浓度Marangoni力和热Marangoni力的力平衡模型对气泡脱离直径的预测误差小于5%,浓度Marangoni力是不同压力下影响气泡脱离直径的主要因素。通过求解传质系数,发现在低光电流密度内,不同压力条件下气液传质以单相自然微对流为主,但随着光电流密度的增大,气液界面扩张引起的气泡诱导微对流传质作用增强。

超临界水甲烷制氢的分子动力学研究

煤-超临界水气化过程中重要中间产物挥发分的反应机理尚未明晰,采用反应分子动力学方法对重要挥发分组分甲烷(CH_(4))在超临界水氛围的反应机理及制氢机制进行了探究。系统比较了反应模拟时间和燃料分子规模对目标反应体系关键组分数时程和重要反应通道占比的影响,量化分析了反应温度、反应压力、CH_(4)质量分数对超临界水相反应中CH_(4)消耗路径和H_(2)生成反应的影响规律。仿真结果表明,CH_(4)在超临界水中氧化可转化为H_(2)、CO及少量C基中间体,H_(2)O+—H→-OH+H_(2)是贡献H_(2)生成的主导反应,反应过程中—OH自由基和—H原子的相对数量显著影响H_(2)产量。降低反应温度和压力对CH_(4)主要氧化路径影响较小,但H_(2)净产量增加;降低CH_(4)质量分数,H_(2)净产量先增加后减少,存在“最佳质量分数”。研究结果可为优化煤-超临界水气化过程中挥发分组分高效制氢方案提供参考。

具有前置凸台防旋板的汽轮机交错齿迷宫密封动力学特性研究

为提高汽轮机多级轴端迷宫密封动力学性能,针对汽轮机两级轴端交错齿迷宫密封,开展了具有前置凸台的新型防旋板结构方案设计和止旋抑振性能评估。首先,针对两级轴端交错齿迷宫密封,设计了一级和两级传统防旋板、一级和两级前置凸台新型防旋板等动密封防旋板结构方案,并建立了具有“虚拟旁路边界”的有、无防旋板多级交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对多级动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的动密封气流激振动力学特性(CFD)摄动数值预测方法,对比分析了无防旋板、传统防旋板和新型前置凸台防旋板作用下,两级交错齿迷宫密封泄漏特性和气流激振动力学特性;最后,通过分析不同防旋板结构方案下,两级交错齿迷宫密封腔室旋流发展、腔室速度场和动态压力分布、转子面气流激振力,阐明了防旋板的止旋抑振机制。结果表明:无防旋板的迷宫密封具有最低的泄漏量,一级传统防旋板或一级前置凸台防旋板的设置会使密封齿数减少,导致密封泄漏量增加约4.5%;相比于一级防旋板,具有两级防旋板的迷宫密封泄漏量增加约5.5%;相比于传统防旋板,前置凸台防旋板可减小交叉刚度、增大有效阻尼;相比于一级防旋板,两级防旋板可减小高涡动频率下的交叉刚度、增大直接阻尼,进而提高密封的有效阻尼;在传统防旋板的基础上设置前置凸台可提升防旋板的止旋性能,且两级防旋板可有效抑制密封下游区域的旋流发展,能显著提升迷宫密封动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳。